Electronic excitation dynamics and energy transfer in lithium-gadolinium borates doped by rare earths

Abstract

Представлены результаты люминесцентных исследований кристаллов боратов лития Li 6 Gd(BO 3 ) 3 , ле-гированных ионами Eu 3+ и Ce 3+ , Li 6 Eu(BO 3 ) 3 при селективном возбуждении синхронным излучением в области энергий возбуждения 3.7−27 eV при 10 и 290 K. Обнаружена эффективная передача энергии между редкоземельными ионами Gd 3+ → Ce 3+ , Gd 3+ → Eu 3+ по резонансному механизму, а также в результате электронно-дырочной рекомбинации. Изучена быстрая кинетика затухания активаторной люминесценции Ce 3+ -центров при внутрицентровом фотовозбуждении и возбуждении в области переходов "зона−зона". Проведен анализ механизмов возбуждения люминесценции и излучательной релаксации электронных состояний ионов редкоземельных элементов, обсуждаются процессы передачи энергии в этих кристаллах. PACS: 78.55.Hx, 61.72.jn Кристаллы литий−гадолиниевого бората Li 6 Gd(BO 3 ) 3 (LGBO), легированные ионами редкоземельных актива-торов, представляют значительный интерес как потен-циальный оптический материал для регистрации ней-тронов сцинтилляционным методом [1][2][3]. С кристалло-графической точки зрения они относятся к моноклин-ной сингонии, обладают центром симметрии (простран-ственная группа симметрии P2 1 [c]). К настоящему вре-мени для кристаллов LGBO получены первичные дан-ные по дефектам, радиационно-стимулированным про-цессам [4,5], люминесценции [3,6] и сцинтилляционным свойствам [1,7].Настоящая работа продолжает цикл исследований, начатый нами в [3], и посвящена изучению динамики электронных возбуждений и переноса энергии в кри-сталлах боратов лития−гадолиния, легированных иона-ми редкоземельных элементов. В работе исследованы кристаллы LGBO, легированные ионами церия или ев-ропия, а также кристаллы Li 6 Eu(BO 3 ) 3 . Образцы для исследований представляли собой плоскопараллельные прозрачные пластины размером 6 × 5 × 1 mm. Все кри-сталлы были выращены в Институте монокристаллов НАН Украины (Харьков) методом Чохральского в воз-душной атмосфере [8,9].Спектры фотолюминесценции (ФЛ) и спектры воз-буждения ФЛ были измерены при селективном возбу-ждении синхротронным излучением в области энергий возбуждения 3.7−27 eV при 10 и 290 K на станции SUPERLUMI лаборатории HASYLAB (Гамбург) [10]. Детали эксперимента приведены в работе [3].При внутрицентровом (прямом) фотовозбуждении (hν < E g ≈ 9 eV) LGBO : Ce Действительно, полоса в спектре возбуждения в об-ласти 4.0 eV (рис. 2) соответствует энергии свече-ния Gd 3+ (рис. 1), поэтому его люминесценция мо-Рис. 1. Спектры ФЛ при 290 K кристаллов LGBO : Eu (hν = 6.78 eV) (a) и LGBO : Ce (hν = 6.88 eV) (b). 1620

Crystal growth and luminescent properties of the Ce-doped Li6Lu(BO3)3

“…This emission broadband around 402 nm is the overlap of these two components. This kind of broadband emission can also be observed in the Ce-doped Li 6 Gd(BO 3 ) 3 crystals [7,25].…”

“…In the excitation spectra, there are three excitation bands around 238, 307 and 350 nm. The band around 350 nm corresponds to the transition of electrons from 2 F 5/2 level to the lowest 5d level of Ce 3 + ions [25]. And the other bands correspond to the transitions of electrons from 2 F 5/2 level to the higher 5d levels of Ce 3 + ions.…”

“…There is an emission band in the range 350-500 nm. The emission band corresponds to the transitions of electrons from 5d level to the 2 F 5/2 and 2 F 7/2 levels of Ce 3 + ions [25,26]. The dot line is the XSL spectrum of Lu 2 SiO 5 :Ce crystal and its light yield excited by g-ray was measured to be 28,045 photons/MeV by the Institute of Physics, Academy of Sciences of The Czech Republic.…”

Cathodoluminescence kinetics of Li6GdB3O9 crystals

“…Indeed, over time, the recombination front moves over larger distances r which characterized by lower values of W(r). Expression (19) explains the observed decrease in the reaction rate constant K(t) with time. It should be noted that the exact numerical solution of the Smoluchowski equation for LGBO at 293 K [38] coincides with Eq.…”

“…[12][13][14][15]. Intrinsic luminescence of LGBO crystals and luminescence of Ce 3 þ and Eu 3 þ impurities in these crystals have been investigated in detail for different types of excitation over a wide temperature range from 4 to 500 K. These LGBO emissions have been studied not only upon selective photoexcitation in the UV [1,4,3,16,17], vacuum UV (VUV) [18][19][20][21] and soft X-rays [22,23] energy regions, but the laboratory excitation sources of ionizing radiation as well [24][25][26]. Optical properties of LGBO crystals in the temperature range of 77-300 K were studied in Refs.…”